现代催化研究方法

生物质气化技术的研究分析

摘要：生物质能是满足当今世界能源需求的最具潜力的可再生能源。利用生物质气化技术能实现CO2的归零排放，节约常规能源，符合可持续发展的要求。本文介绍了生物质气化的原理与工艺和相关气化反应器，阐述了生物质气化特性的影响因素及评价指标，指出了生物质气化技术中需要解决的问题。

关键词：生物质气化，原理与工艺，气化炉，气化特性

能源和环境问题已成为全球关注的焦点，随着能源消耗的迅速增长，化石燃料的大量使用带来了严重的环境污染和生态破坏，再加上常规能源如煤、石油、天然气等资源量的日益减少，开发洁净的可再生能源成为了可持续发展的迫切需要[1]。与此同时，生物质能在可再生能源中，是地球上唯一能够储存和可运输的清洁能源，资源量大，分布广，开发潜力巨大。

生物质能要真正成为矿物燃料的替代能源，其关键是要将能量密度低的低品位的生物质能转变成高品位能源。如何有效地将生物质转化为洁净、高效的高品位能源，是该领域目前的主要研究课题。当前，生物质能转化技术主要包括生物质气化、液化、固化以及直接燃烧技术。生物质能气化技术就是其中重要的手段之一。

1 生物质气化的原理与工艺

生物质气化是指生物质原料(薪柴、锯末、麦秸、稻草等)压制成型或经简单的破碎加工处理后，在欠氧条件下，送入气化炉中进行气化裂解，得到可燃气体并进行净化处理而获得产品气的过程。其原理是在一定的热力学条件下，借助于部分空气(或氧气)、水蒸气的作用，使生物质的高聚物发生热解、氧化、还原、重整反应，热解伴生的焦油进一步热裂化或催化裂化为小分子碳氢化合物，获得含CO、H2和CH4的混合气体。

气化技术是目前生物质能利用技术研究的热门方向。典型的气化工艺有以下3种：干馏工艺、快速热解工艺、气化工艺[2]。其中前两种生物质气化工艺适用于木材或木屑的热解；后一种适用于农作物（如玉米、棉花等）秸秆的气化。

生物质气化技术的一般工艺过程如图1所示，其主要有四大组成系统，分别为进料系统、气化反应器（气化炉）、气化气体净化系统和气化气体处理系统（如发电系统）。进料系统包括生物质进料、空气进料、水蒸气进料及其控制。气化气体净化系统主要是除去产出气体中的固体颗粒、可冷凝物及焦油，常用设备有旋风分离器、水浴清洗器及生物质过滤器。后处理系统主要是气化气进一步转化利用的装置，诸如发电、制取液体燃料等装置。

图1 生物质气化工艺一般流程

2 气化反应器

气化炉是生物质气化系统中的核心设备，生物质在气化炉内进行气化反应，

生成合成气。生物质气化炉可以分为固定床气化炉、流化床气化炉、气流床气化炉(EF)及等离子体气化炉

(Plasma)

等类型[3]。

2.1 固定床气化炉

固定床气化炉中气化反应是在一个相对静止的物料床层中进行，即物料相对于气流来说，是处于静止状态。物料在炉内基本上是有层次的分为四个阶段，即干燥阶段、热解阶段、燃烧阶段、还原阶段。固定床气化炉的炉内反应速度较慢。根据炉内气化剂的流动方向，可将固定床气化炉分为四类：上吸式、下吸式、横吸式和开心式。固定床气化炉的优点：气化炉结构简单、投资少、运行可靠、操作比较容易，对原料的种类及粒度要求不高。缺点：固定床气化炉通常产气量比较小，多用于小型气化站、小型热电联产或户用供气，不适合大规模的生产。

2.2 流化床气化炉

颗粒状的物料被送人炉内，并掺有精选的惰性材料(砂子和橄榄石等)作为流化床材料，在炉体底部以较大压力通入气化剂，使炉内呈沸腾、鼓泡等不同状态，物料和气化剂充分接触，发生气化反应。按气化炉结构和气化过程，可将流化床气化炉分为：鼓泡流化床(BFB)、循环流化床(CFB)及舣流化床(Dual)。

流化床气化炉的优点：温度稳定均匀；使用燃料颗粒很细小，传热面积大；气

化效率高；适用于连续运转，适合大规模的商业应用。已被粉碎的原料和被加

压的气化剂(氧气或水蒸气)从塔顶同时进入气化炉[4]。塔顶部的湍流火焰燃烧部分原料，为整个气化过程提供足够的热量，气化炉内的温度达到1300C。

2.3 气流床气化炉

已被粉碎的原料和被加压的气化剂(氧气或水蒸气)从塔顶同时进入气化炉。塔顶部的湍流火焰燃烧部分原料，为整个气化过程提供足够的热量，气化炉内

的温度达到1300C[5]。气流床的特点：合成气出炉的温度可达1300C，大部分焦油可在半焦气化过程中裂化，出炉的合成气中几乎不含焦油；气化炉壁上的灰

融物可当作熔渣除去。

2.4 等离子体气化炉

原料从塔顶进入气化炉，接触到常压、温度为500～1500C的由电生成的等离子体后，原料中有机物转化为高质量的合成气，无机物变成玻璃化的惰性熔渣。这种炉的气化效率很高，得到不含焦油的合成气。等离子弧也可以用于净

化合成气。

3 生物质气化特性

3.1 影响因素

3.1.1 不同物料的产气特性

物料的反应特性、热稳定性、粒度等物理及化学特性直接影响产气率和产

气组分。物料粒径越小，其总表面积越大，热交换和扩散过程就进行得越激烈，使整个气化过程进行得越激烈和越完全。并且物料粒径小，其热阻力也小，气

化炉内的温度分布也就越均匀，气化结果好[6]。水分的影响主要体现在两个方面：一方面蒸发需要消耗气化过程中燃烧反应所放出的热量；另一方面，由于水是

一种气化剂，能与C发生水煤气反应生成H2和CO2，进而提高气化气的质量。

3.1.2 气化温度对气化特性的影响

在生物质气化过程中，气化温度是一个很重要的参数，温度的高低不但会

影响产气的速率，而且对物料反应过程中的吸放热等可逆反应也一定的影响，

从而最终影响到气化产物分布、产品气的组成、产气率、热解气热值。一般地，温度升高，气体产率增加，焦油及炭的产率降低，气体中氢及碳氢化合物含量

增加，二氧化碳含量减少，气体热值提高。

此外，温度和停留时间是决定二次反应过程的主要因素。温度>700C时，

气化过程初始产物(挥发性物质)的二次裂解受停留时问的影响很大，在8s左右，可接近完全分解，使气体产率明显增加。在设计气化炉型时，必须考虑停留时

间对气化效果的影响。

3.1.3 压力对气化特性的影响

采用加压气化技术可以改善流化质量，克服常压反应器的一些缺陷。Pasban 等在空气鼓泡加压流化床中气化木质生物质，压力在506.63～2026.5 kPa，得出压力增大，脱挥发分的速度减慢而加强了裂解反应，产生的焦油量和气相浓度

都减小[7]。所以，操作压力提高，一方面能提高生产能力，另一方面能减少带出物损失。从结构上看，在具有同样的生产能力时，压力提高，气化炉容积可以

减小，后续工段的设备也可减小尺寸，而且净化效果好。

3.1.4 气化剂对气化特性的影响

气化剂对气化特性的影响体现在气化剂的组分和流量两方面。

目前生物质气化技术中采用的气化剂主要有3种：空气气化、富氧气化和空气—水蒸气气化[8]。气化剂不同，气化炉出口产生的气体组分也不同。空气做气化剂时，产气中可燃气的含量普遍低，原因是N2的加入稀释了可燃气的浓度；

与空气相比使用氧气做气化剂。可明显提高产气质量，但CO2的浓度也会增大；实验系统中加入水蒸气后，CO、CH4、H2的含量明显增加。热值也相应有很大的提高：而且与氧气做气化剂相比，H2含量提高的更多，这是由于发生了租煤

气反应的结果。

气化剂流量不同将影响到参与反应的气化剂的浓度而影响到CO2的还原率，直接影响产气组分。氧气流量发生变化后，也会引起O2物料比的变化[9]。流量增加会增强气化层底部燃烧反应，气化炉温度水平提高；然而，由于氧气供应量的增加，燃烧反应加剧，挥发份释放的CO和H2以及CH4可能与过剩的O2反应燃烧掉了；氧气流量的增加会使碳燃烧转化成CO2的量增加。结果一方面给CO2气体还原反应提高了反应物的浓度，增加了CO2还原反应的机会，减少了CO2的量，但另一方面也可能导致没有来得及参加还原反应的CO2气体份额